Linux下MPI的安装与vscode的配置
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零、前言

近期由于一些原因接触到了并行计算，对于这个陌生的领域我最先接触到的是MPI框架。MPI（Message Passing Interface），可以理解为是一种独立于语言的信息传递标准。目前它有两种具体的实现OpenMPI和MPICH，也就是说如果我们要使用MPI标准进行并行计算，就需要安装OpenMPI或MPICH库。本文以MPICH为例，在ubantu中安装MPI的环境，并对vscode进行配置。

一、MPI安装

1.1 前置准备

安装 mpich 之前需要安装好相应的编译器，可以通过查看是否安装了

$ gcc --version 
$ fortran --version 
$ gfortran --version

image-20220320165141580

如果没有安装则使用 sudo apt-get install gcc 安装即可（gcc替换成你没有的编译器）。

1.2 下载MPI

可以去这里下载一个MPI的程序包，选择你要下载的版本即可，其中Platform要选择MPICH的。

image-20220320165406607

下好了之后将其放到你要安装的目录下，强烈建议在home目录下建一个新的文件夹比如mpi来放置

1.3 安装

将下载的安装包进行解压，可以在窗口中选中右键解压，也可以 cd 到目录下用 tar xzf +文件名 来解压。

然后配置安装路径，cd到解压的文件夹，我的解压文件夹名称为mpich-3.4.3，所以我先cd mpich-3.4.3 ,然后输入./configure -prefix=/home/[username]/mpi ,其中 -prefix= 后写的是你的mpich的安装路径。

然后进行编译 make ，这一步很久（我大概用了十几分钟），需要耐心等待。

然后进行安装 make install 。

安装完成后添加环境变量，先输入sudo gedit ~/.bashrc ，然后会要求你输入密码，输入后会弹出一个文本框，输入下列路径：

export MPIPATH=/home/fang/mpi
export MPIPATHBIN=$MPIPATH/bin
export MPIPATHINCLUDE=$MPIPATH/include
export MPIPATHLIB=$MPIPATH/lib
export MPIPATHSHARE=$MPIPATH/share
export PATH=$PATH:$MPIPATHBIN:$MPIPATHINCLUDE:$MPIPATHLIB:$MPIPATHSHARE

image-20220320171145276

注意： 第一行的 MPIPATH 需要写你安装的MPI的那个文件夹，其他不用改动

然后在终端中输入 source .bashrc 激活环境变量

1.4 测试

首先输入 which mpicc 可以查看你的mpich的安装路径。

然后打开终端cd进入你所下载的压缩包的解压文件夹，该路径下有个 example 文件夹，里面是mpich官方的示例代码，终端中输入：

mpirun -np 10 ./examples/cpi
mpiexec -n 4 ./examples/cpi

image-20220320171754484

就完成了！

二、运行MPICH

3.1 命令行大法

如果用C++编写则用第一条，如果用C编写则用第二条，其中xxx是你要编译的文件名，yyy是你编译完成后生成的exe文件的文件名

mpic++ xxx.cpp -o yyy
mpigcc xxx.c -o yyy

然后运行可执行文件，需要先cd到可执行文件的路径下，yyy 是你的可执行文件夹名字，千万不能漏掉 ./, 前面的参数 4 表示分配4个进程并行运行

mpirun -np 4 ./yyy

3.2 vscode配置

使用code runner插件运行，进入插件设置页，然后点击 在settings.json中编辑，自动进入settings.json 文件

image-20220320172544098

文件结构如下所示：

image-20220320172707492

可以复制我的配置：

{
    "code-runner.runInTerminal": true,
    "files.autoSave": "afterDelay",
    "code-runner.executorMap": {
        "javascript": "node",
        "java": "cd $dir && javac $fileName && java $fileNameWithoutExt",
        "c": "cd $dir && gcc $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        //"cpp": "cd $dir && g++ $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        "cpp" : "cd $dir && mpic++ $fileName -o /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt &&cd $dir && mpirun -np 4 /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt",
        "objective-c": "cd $dir && gcc -framework Cocoa $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        "php": "php",
        "python": "python -u",
        "perl": "perl",
        "perl6": "perl6",
        "ruby": "ruby",
        "go": "go run",
        "lua": "lua",
        "groovy": "groovy",
        "powershell": "powershell -ExecutionPolicy ByPass -File",
        "bat": "cmd /c",
        "shellscript": "bash",
        "fsharp": "fsi",
        "csharp": "scriptcs",
        "vbscript": "cscript //Nologo",
        "typescript": "ts-node",
        "coffeescript": "coffee",
        "scala": "scala",
        "swift": "swift",
        "julia": "julia",
        "crystal": "crystal",
        "ocaml": "ocaml",
        "r": "Rscript",
        "applescript": "osascript",
        "clojure": "lein exec",
        "haxe": "haxe --cwd $dirWithoutTrailingSlash --run $fileNameWithoutExt",
        "rust": "cd $dir && rustc $fileName && $dir$fileNameWithoutExt",
        "racket": "racket",
        "scheme": "csi -script",
        "ahk": "autohotkey",
        "autoit": "autoit3",
        "dart": "dart",
        "pascal": "cd $dir && fpc $fileName && $dir$fileNameWithoutExt",
        "d": "cd $dir && dmd $fileName && $dir$fileNameWithoutExt",
        "haskell": "runhaskell",
        "nim": "nim compile --verbosity:0 --hints:off --run",
        "lisp": "sbcl --script",
        "kit": "kitc --run",
        "v": "v run",
        "sass": "sass --style expanded",
        "scss": "scss --style expanded",
        "less": "cd $dir && lessc $fileName $fileNameWithoutExt.css",
        "FortranFreeForm": "cd $dir && gfortran $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        "fortran-modern": "cd $dir && gfortran $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        "fortran_fixed-form": "cd $dir && gfortran $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt",
        "fortran": "cd $dir && gfortran $fileName -o $fileNameWithoutExt && $dir$fileNameWithoutExt"
    },
    "window.zoomLevel": 2,
    "explorer.confirmDelete": false
}

其中的cpp表示当运行的文件为c++时使用的命令，你也可以自己配置，可用的参数如下：

$workspaceRoot
$dir
$dirWithoutTrailingSlash
$fullFileName
$fileName
$fileNameWithoutExt

以我所配置的mpich的运行方式为例进行解释：

 "cpp" : "cd $dir && mpic++ $fileName -o /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt &&cd $dir && mpirun -np 4 /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt"
  • 首先 cd 到 $dir$ 表示进入当前文件所在路径
  • && 表示并的关系，即只有前面的命令运行成功后才运行后面的命令。
  • 然后是 mpic++ $fileName -o /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt，这里的 $fileName 是当前需要运行的代码文件名称，$fileNameWithoutExt表示不带后缀的文件名称，这一行的命令意思是将文件使用MPICH进行编译，然后存放到 /home/fang/code/papercode/exe/路径下，编译出来的文件名为 $fileNameWithoutExt
  • 最后是mpirun -np 4 /home/fang/code/papercode/exe/$fileNameWithoutExt 就是使用MPICH运行可执行文件，不在解释。

三、MPI编程框架

1.MPI_Init

任何MPI程序都应该首先调用该函数。 此函数不必深究，只需在MPI程序开始时调用即可（必须保证程序中第一个调用的MPI函数是这个函数）。

MPI_Init(&argc, &argv)

Fortran版本调用时不用加任何参数，而C和C++需要将main函数里的两个参数传进去，因此在写main函数的主程序时，应该加上这两个形参。

int main(int *argc,char* argv[]) 
{ 
    MPI_Init(&argc,&argv); 
}

2.MPI_Finalize

任何MPI程序结束时，都需要调用该函数。 该函数同第一个函数，都不必深究，只需要求格式去写即可。

MPI_Finalize()

3.MPI_COMM_RANK

int MPI_Comm_Rank(MPI_Comm comm, int *rank)

该函数是获得当前进程的进程标识，如进程0在执行该函数时，可以获得返回值0（即rank = 0）。可以看出该函数接口有两个参数，前者为进程所在的通信域，后者为返回的进程号。通信域可以理解为给进程分组，比如有0-5这六个进程。可以通过定义通信域，来将比如 [0,1,5] 这三个进程分为一组，这样就可以针对该组进行“组”操作，MPI_COMM_WORLD是MPI已经预定义好的通信域，是一个包含所有进程的通信域，目前只需要用该通信域即可。

在调用该函数时，需要先定义一个整型变量如myid，不需要赋值。将该变量传入函数中，会将该进程号存入myid变量中并返回。

4.MPI_COMM_SIZE

该函数是获取该通信域内的总进程数，如果通信域为MP_COMM_WORLD，即获取总进程数，使用方法和MPI_COMM_RANK相近。

MPI_COMM_SIZE(comm, size) 
int MPI_Comm_Size(MPI_Comm, int *size)

5.MPI_SEND

该函数为发送函数，用于进程间发送消息，如进程0计算得到的结果A，需要传给进程1，就需要调用该函数。

call MPI_SEND(buf, count, datatype, dest, tag, comm) 
int MPI_Send(type* buf, int count, MPI_Datatype, int dest, int tag, MPI_Comm comm)

该函数参数过多，不过这些参数都很有必要存在。

这些参数均为传入的参数，其中buf为你需要传递的数据的起始地址，比如你要传递一个数组A，长度是5，则buf为数组A的首地址。count即为长度，从首地址之后count个变量。datatype为变量类型，注意该位置的变量类型是MPI预定义的变量类型，比如需要传递的是C++的int型，则在此处需要传入的参数是MPI_INT，其余同理。dest为接收的进程号，即被传递信息进程的进程号。tag为信息标志，同为整型变量，发送和接收需要tag一致，这将可以区分同一目的地的不同消息。比如进程0给进程1分别发送了数据A和数据B，tag可分别定义成0和1，这样在进程1接收时同样设置tag0和1去接收，避免接收混乱。

6.MPI_RECV

该函数为MPI的接收函数，需要和MPI_SEND成对出现。

call MPI_RECV(buf, count, datatype, source, tag, comm，status) 
int MPI_Recv(type* buf, int count, MPI_Datatype, int source, int tag, MPI_Comm comm, MPI_Status *status)

参数和MPI_SEND大体相同，不同的是source这一参数，这一参数标明从哪个进程接收消息。最后多一个用于返回状态信息的参数status。

在C和C++中，status的变量类型为MPI_Status，分别有三个域，可以通过status.MPI_SOURCE，status.MPI_TAG和status.MPI_ERROR的方式调用这三个信息。这三个信息分别返回的值是所收到数据发送源的进程号，该消息的tag值和接收操作的错误代码。

SEND和RECV需要成对出现，若两进程需要相互发送消息时，对调用的顺序也有要求，不然可能会出现死锁或内存溢出等比较严重的问题。

7. MPI_Barrier

该函数为一个阻塞函数

 MPI_Barrier(MPI_Comm comm);

填入的参数为通信域，当进程执行该函数并且属于该通信域时，则停止执行进入等待状态，当该通信域的所有进程都执行到该函数后才继续往下进行。

7. 例子

int main(int argc, char** argv) {
    MPI_Init(NULL, NULL); // MPI启动 一直到Finalize之间的都会并行执行
    int rank;
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank); // 获取当前进程id
	if (rank == 0) {
        ......  // 对0号进程进行操作
    }else if(rank == 1) {
        ...... // 对1号进程进行操作
    }
    MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD); //等待函数，所有进程都调用这个函数后才继续往下运行
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
    printf("rank%d\n", rank);
    if(rank == 1){
        ......
    }
    MPI_Finalize();// MPI结束
    return 0;
}

四、总结

这次配置MPICH的过程还是收获颇丰的，第一次领略到了用Linux安装环境的快捷与舒适，还了解vscode的很多配置原理（之前都是无脑配置的），最后还入门了一种全新的编程方式，并行计算。

环境配置
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